Deriek Rodríguez López - DSpace@UCLV
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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento electroenergética TRABAJO DE DIPLOMA CONSTRUCCION DE UN REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO PARA UNA PLANTA ELECTRICA. Autor: Deriek Rodríguez López Tutor: Lesyani León Viltre Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución." Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento Electroenergética TRABAJO DE DIPLOMA CONSTRUCCION DE UN REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO PARA UNA PLANTA ELECTRICA Autor: Deriek Rodríguez López [email protected] Tutor: MSc. Lesyani León Viltre [email protected] Profesora Auxiliar, Dpto. Electroenergética FIE UCLV Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución." Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica i PENSAMIENTO El hombre crece tanto, que ya se sale de su mundo e influye en el otro. Por la fuerza de su conocimiento. Abarca la composición de lo invisible, y por la gloria de una vida de derecho llega a sus puertas seguro y dichoso… José Martí ii DEDICATORIA A mis padres por el gran apoyo que siempre me han dado. A mi novia Dayana por tanto amor y comprensión. En especial a mi hermano por ser el mejor del mundo. iii AGRADECIMIENTOS A todos mis amigos que siempre creyeron en mí y estuvieron presente cuando los necesité. A los profesores que tuvieron que ver con mi formación académica, por haberme brindado sus conocimientos y amistad en especial a la profesora Lesyani León por su confianza y apoyo. A los que de una forma u otra me extendieron su mano. iv TAREA TÉCNICA Para darle solución al problema planteado y cumplir con el objetivo general del trabajo es necesario dar cumplimiento a las siguientes tareas técnicas: 1. El estudio del funcionamiento de un generador sincrónico. 2. El análisis del principio de funcionamiento de los reguladores de voltaje. 3. El diseño y construcción de un regulador de voltaje para el generador sincrónico. 4. La comprobación del correcto funcionamiento del regulador implementado Firma del Autor Firma del Tutor v RESUMEN En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un sistema de control, para regular el voltaje de salida de una planta de energía eléctrica, en sus valores nominales (250 V), ante la conexión y desconexión repentina de las cargas. La planta de energía eléctrica, que se desea controlar está constituida por un generador trifásico y un motor de Diesel. El generador tiene una capacidad de 175 KVA, 4 polos, y el tipo de conexión es doble estrella. El sistema de control, está basado en componentes discretos e integrados que se encargan de mantener el voltaje en su valor nominal. El sistema está dividido en los siguientes bloques: una tarjeta de control y una etapa de potencia para suministrar y manipular el voltaje de excitación del devanado de campo del generador. En el control del voltaje, se emplea un lazo de retroalimentación del voltaje proporcional al generado, el cual también es comparado con un valor de referencia, de esta forma la etapa de potencia entrega un voltaje de excitación proporcional a dicho error, manteniendo el voltaje en su valor nominal. vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO…………………………………………………………………………….i DEDICATORIA…………………………………………………………………………….ii AGRADECIMIENTOS…………………………………………………………………….iii TAREA TÉCNICA…………………………………………………………………………iv RESUMEN………………………………………………………………………………......v INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………..1 CAPITULO 1. EL GENERADOR SINCRÓNICO Y LOS REGOLADORES DE VOLTAJE…………………………………………………………………………………...5 1.1 Generador básico……………………………………………………………….………..5 1.1.1 Funcionamiento del generador……...…………………………………….……..…..6 1.2 Generador de corriente alterna…..…………………………………………………..…..8 1.2.1 Tipos de alternadores……………………………………………………….……….8 1.3Alternadores sincrónicos………… ……………………………………………......11 1.3.1Principio de operación del alternador sincrónico………………………….………..11 1.4 Función de la excitación…………………………………………………...………...…12 1.4.1 Elementos que conforman un sistema de excitación……...................................…..13 1.5 Modelos matemáticos de sistemas de excitación…………………………………..…..14 1.51 Modelo del transductor de voltaje en los terminales de la máquina síncrona y del compensador de carga…………..………………………………………………………….15 vii 1.6 Representación de un diagrama de bloques de un sistema de excitación……….…..…18 1.6.1 Amplificador del sistema de excitación………………………..…...………….…..18 1.6.2 Bloque del excitador de CD………………………...………………………….…..19 1.6.3 Diagrama esquemático del excitador de CD………………………………….…...20 1.6.4 Curva de saturación de carga del excitador…………………………………….…..21 1.7 Tipos de sistemas de excitación tradicionales………………………………………….22 1.7.1 Sistema de excitación de CD………………………………………………….……22 1.7.2 Sistema de excitación de CA……………………………………………….………22 1.7.2.1 Sistema de rectificadores estacionarios…………………………………….…..23 1.7.2.2 Sistema rectificador rotatorio…………………………………………….….…24 1.8 Regulación primaria de voltaje………………………………………………………...24 1.8.1 SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia………….….26 CAPITULO 2. DISEÑO DEL REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO……...28 2.1 Generador sincrónico de excitación sin escobillas ……………………………………28 2.2 Construcción del Regulador de voltaje Automático…………………………………..30 2.2.1 Bloques del regulador de voltaje automático……………………………………...31 2.2.1.1 Fuente de alimentación del circuito…………………………...………………..31 2.2.1.2 Detector de cruce por cero……………………………………………...………32 2.2.1.3 Rectificador de onda………………………………………………………...….33 2.2.1.4 Generador de señal triangular de referencia…………………………………….34 2.2.1.5 Comparador………………………………………………………...…………...35 2.2.1.6 Etapa de potencia ……………………………………………………...……….36 2.3 Comportamiento del voltaje de excitación (Vexc) en relación con el voltaje de corriente alterna (Vca)……………………………………………………………………...36 2.3.1 Descripción del regulador de voltaje………………………………………….…....37 viii CAPITULO 3. RESULTADOS Y PUESTA EN MARCHA DEL REGULADOR DISEÑADO………………………………………………………………………………..39 3.1 Pruebas aplicadas al generador sin regulador………………………………………….39 3.1.2 Pruebas aplicadas al generador con regulador……………………….…………….39 3.2 Voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del generador…………..40 3.3 Valores de consumo de corriente de la carga real……...…...………………………….41 3.4 Valoración económica………………………………………………………………….42 3.5 Conclusión del capítulo………………………………………………………………...43 CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES…………………….……………………..44 Concluciones……………………………………………………………………………….44 Recomendaciones…………………………………………………………………………..44 REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS………………………………………………….…..45 ANEXOS………………………...…………………………………………………………47 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El consumo de energía ha estado asociado siempre con el hombre. El hombre primitivo, al igual que los animales, ha dependido de su propia energía animal para su subsistencia. El uso artificial del fuego empezó a diferenciar al hombre de los animales. Ha sido, y es, tan importante el uso de energía para el hombre, que un índice para medir el nivel de desarrollo de una nación es su consumo por habitante [1]. Sin la electricidad, la mayor parte de las máquinas eléctricas empleadas hoy en día no serían posibles y se tendría que prescindir de aparatos eléctricos que constituyen parte integral del entorno cotidiano. Existen diversas formas de generar electricidad, el generador es la máquina elemental, que utiliza el método más común para producirla, empleando el principio del electromagnetismo. Casi toda la energía eléctrica empleada (excepto para equipos de emergencia y portátiles operados con baterías) proviene originalmente de un generador de una planta eléctrica. El generador puede ser accionado mecánicamente por una fuerza hidráulica, una turbina de vapor con calentamiento de carbón, petróleo, gas, energía nuclear o hasta un motor de combustión interna, pero aun así uno de los mayores problemas es encontrar fuentes de energía nuevas y alternas, que son cada vez más limitadas. Pero por ahora se depende casi íntegramente del generador eléctrico. Un generador es una máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, utilizando el principio del electromagnetismo y una fuerza externa de accionamiento. Sin embargo, en la operación de un generador; se acentúa la necesidad de diseñar y construir sistemas de control, que sostengan la calidad de INTRODUCCIÓN 2 energía eléctrica generada, es decir; mantener los niveles de voltaje en sus valores nominales, ya que esta variable depende fuertemente de la operación del generador y de los cambios de carga [2]. Desde el punto de vista de su funcionamiento, el sistema de control de excitación (SCE) debe ser capaz de responder a perturbaciones, tanto transientes como estacionarias, sin alterar la operación normal del generador. Así mismo, debe ser capaz de integrarse con el resto de los sistemas de protección de los generadores, tales como las protecciones ante fallas de aislamiento en el rotor debido a altos voltajes, calentamiento en el rotor debido a corrientes de campo, calentamiento en el estator debido a corrientes de armadura, calentamiento por baja excitación de operación y debido a exceso de flujo, etc. Desde el punto de vista de los sistemas de potencia, el sistema de excitación contribuye a un control efectivo de voltaje y por ello es ampliamente usado para mejorar la estabilidad del sistema. En particular, se usa en coordinación con estabilizadores de potencia (Power System Stabilizer PSS) para amortiguar oscilaciones y en el control rápido ante un disturbio de manera de mejorar la estabilidad transientes [3]. En la Unidad Empresarial de Base (UEB) de mármoles cubanos ubicado en el municipio de Fomento, perteneciente a la provincia de Sancti Spíritus, se ubica una cantera de mármol donde se extrae la materia prima, o sea el mármol. Esta UEB tiene un plan anual de (3000m3) los cuales una parte se exporta y otra se destina al consumo nacional, sustituyendo importaciones ya que este producto tiene gran aceptación en las zonas turísticas. Esta UEB se encuentra dentro de las primeras del país en cuanto a niveles de producción, por ende es vital para el cumplimiento de los planes de producción de la Empresa. En esta cantera se encuentran varias plantas generadoras de energía eléctrica, las cuales no disponen de su regulador de excitación de voltaje automático el cual es esencial para su correcto funcionamiento. Este regulador proporciona al campo del generador el voltaje de alimentación necesario para mantener en sus terminales el voltaje nominal. Es de vital importancia que el generador mantenga su nivel nominal tanto de voltaje como de potencia. La mala calidad de la energía INTRODUCCIÓN 3 suministrada a las máquinas pondría en riesgo la vida útil de sus motores y afectaría seriamente los niveles de producción en la (UEB). La puesta en marcha de estos equipos es para la (UEB) de gran utilidad pudiendo aumentar su producción, ya que no cuenta en su totalidad con energía eléctrica del sistema nacional. Las pantas eléctricas utilizadas actualmente en dicha (UEB) son generadores sincrónicos. Cuentan con un motor diesel que proporciona la potencia mecánica que hace girar al generador. Este produce la energía eléctrica que necesitan las máquinas para realizar su trabajo. Debido a que el régimen de trabajo de las máquinas es de forma variable se necesita que el voltaje en sus terminales cumpla con las demandas de potencia absorbidas por estas. En las plantas eléctricas que trabajan en régimen variable, el regulador de voltaje de excitación es imprescindible para su correcto funcionamiento ya que tiene que regular el voltaje de excitación suministrado al campo. Un regulador automático de voltaje debe cumplir requisitos para su óptimo desempeño un tiempo de respuesta bajo, resistir picos de voltajes transitorios y soportar vibraciones que se pueden generar en el alternador. Es por lo anteriormente expresado que se establece como problema científico: ¿Cómo proporcionar una regulación automática del voltaje de un generador sincrónico que alimenta las máquinas en la UEB Mármoles del Centro? El objetivo general de la investigación es: Diseñar e implementar un regulador de voltaje automático para una planta generadora de energía eléctrica en la (UEB) Unidad Empresarial de Base de Mármoles de Fomento. Objetivos específicos Realizar un estudio de l funcionamiento básico del generador sincrónico. Analizar el principio de funcionamiento de los controladores existentes para la regulación del voltaje en los generadores. Diseñar y construir un regulador de voltaje automático para un generador sincrónico. Realizar pruebas del funcionamiento del sistema de control ( regulador de voltaje automático). INTRODUCCIÓN 4 Las tareas de investigación para cumplir con los objetivos específicos son: 1.El estudio del funcionamiento de un generador sincrónico. 2.El análisis del principio de funcionamiento de los reguladores de voltaje. 3.El diseño y construcción de un regulador de voltaje para el generador sincrónico. 4.La comprobación del correcto funcionamiento del regulador implementado. La tesis está dividida en 3 capítulos, en el capítulo 1 se tratan los principales aspectos teóricos relacionados con los generadores sincrónicos y los reguladores de voltaje. El capítulo 2 aborda fundamentalmente el diseño y construcción del regulador de voltaje, mientras que el capítulo 3 muestra los resultados obtenidos con la implementación y puesta en marcha del regulador de voltaje diseñado. Finalmente se ofrecen un conjunto de conclusiones y recomendaciones útiles para los interesados en el tema. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 5 CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje. En este capítulo se tratarán los aspectos teóricos básicos relacionados con los generadores sincrónicos y los reguladores de voltajes. La palabra generar significa producir. Un generador eléctrico es una máquina que produce un voltaje por medio de inducción electromagnética. Esto se efectúa por la rotación de bobinas de alambre a través de un campo magnético o por la rotación de un campo magnético en el centro de las bobinas de alambre. El generador moderno es el resultado del trabajo de Michael Faraday y Joseph Henry en 1831, este descubrimiento dio lugar al generador, motor eléctrico, micrófono, bocina, transformador y galvanómetro. En la actualidad más del 95% de la energía eléctrica mundial se suministra mediante generadores [4]. 1.1 Generador básico Un voltaje alterno estacionario es producido al girar una bobina de alambre entre los polos de un imán permanente. La figura 1.1 muestra el esquema de un generador; la bobina se denomina armadura, sus extremos conectan a anillos colectores aislados , los cuales están montados en el mismo eje de la armadura. Las escobillas estacionarias presionan los anillos colectores y con ello conectan la armadura rotatoria a un circuito externo. Una fuerza mecánica acciona (hace girar) la armadura, y con ello se convierte la energía mecánica en energía eléctrica. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 6 Figura 1. Generador de CA de una bobina. 1.1.1. Funcionamiento del generador El valor del voltaje inducido por el generador en cualquier instante de tiempo, depende de los siguientes factores: La densidad de flujo del campo magnético a través del cual se mueve un conductor (cuanto más grande sea la densidad del flujo, mayor será el voltaje inducido). La velocidad de los conductores en movimiento (el voltaje inducido aumenta cuando aumenta la velocidad del conductor). El ángulo con el cual el conductor corta las líneas de flujo. La figura 2 muestra el funcionamiento de una sola vuelta o espira cuando se produce un ciclo completo de voltaje alterno, del lado izquierdo se observa la posición de la espira dentro del campo, y del lado derecho se representa el voltaje de las escobillas, el cual es sinusoidal por cada cuarto de una vuelta completa de la armadura. El voltaje es generado debido a que los conductores de la bobina cortan el flujo magnético producido por los polos N y S. El voltaje inducido es máximo cuando la bobina está momentáneamente en posición horizontal (paralela a las líneas de campo magnético); cuando la bobina se encuentra momentáneamente en posición vertical (perpendicular a las líneas de campo magnético) no corta las líneas de campo, por lo tanto, el voltaje inducido es cero [5]. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 7 Figura 2. Generación de un ciclo de voltaje con un generador de CA de una sola espira Al girar la armadura de la posición1 a la posición2, esta corta más líneas de flujo, por lo tanto, el voltaje aumenta desde cero hasta el valor máximo. Este incremento en el voltaje causa un aumento en la corriente, el cual se muestra con el primer cuarto de la onda sinusoidal. En la posición2 la bobina corta a las líneas de flujo a un ángulo de 90º, de esta forma se produce el voltaje máximo. Al moverse de la posición 2 a la posición 3, la armadura corta menos líneas de flujo en ángulos más agudos, pero en la misma dirección. Por esta razón, el voltaje disminuye desde su valor máximo hasta cero, esto se muestra con el CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 8 segundo cuarto de la onda sinusoidal. Debido a que la armadura continúa rotando hacia la posición 4, cada uno de sus lados corta el campo magnético en la dirección opuesta, lo cual cambia la polaridad del voltaje y el sentido de la corriente. Una vez más, el voltaje y la corriente aumentan desde cero hasta sus valores máximos durante el tercer cuarto de la onda sinusoidal. De la posición 4 a la posición 5 la armadura regresa al punto inicial, en este lapso, el voltaje y la corriente disminuyen desde sus valores más altos hasta cero y así se completa el ciclo. 1.2 Generador de corriente alterna (Alternador) Un generador de corriente alterna es también conocido como un alternador. El elemento rotatorio de grandes alternadores se denomina rotor. Lo hacen girar turbinas de vapor, hidroturbinas (turbinas accionadas con caídas de agua) o motores diesel. Estos alternadores producen la energía eléctrica empleada en las casas y en la industria. Los alternadores pequeños de CA casi siempre son accionados por motores de diesel y son empleados comúnmente para proporcionar energía eléctrica de emergencia. 1.2.1 Tipos de alternadores Los alternadores se clasifican según su construcción como: Alternador de armadura giratoria. Es utilizada en alternadores pequeños, por lo general la armadura es el elemento rotatorio o rotor. El rotor gira dentro del campo magnético producido por los devanados de campo estacionarios, denominados estatores. El rotor cuenta con un colector o anillos colectores que están en contacto con escobillas de carbón, que sirven para la recolección de la energía generada. El alternador de armadura giratoria solo se encuentra en alternadores con potencia nominal baja. Alternador de campo giratorio. En este tipo de alternador la armadura permanece estacionaria y el devanado de campo es giratorio. La ventaja de tener un devanado de armadura estacionario es que el voltaje generado puede conectarse en forma directa a la carga sin anillos CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 9 deslizantes. Las conexiones fijas son más fáciles de aislar que los anillos deslizantes en altos voltajes, por esta razón los alternadores de alto voltaje y gran potencia son del tipo de campo giratorio , y éstos se emplean en las centrales generadoras grandes, tales como plantas hidroeléctricas. Como el voltaje aplicado al campo giratorio es de CD (corriente directa) y bajo voltaje, no tiene el problema de arqueo en los anillos deslizantes. Alternador de imán permanente. Un alternador de imán permanente o magneto es un alternador de CA en él cual, el campo magnético lo producen uno o más imanes permanentes y no electroimanes. En algunos alternadores de este tipo, los imanes permanentes forman parte del rotor [6]. Un alternador con un conjunto de devanados y un par de anillos colectores produce sólo una onda de voltaje, y a éste arreglo se conoce como alternador monofásico. Un alternador trifásico tiene tres conjuntos separados de devanados, un extremo de cada devanado está conectado a un anillo colector (figura 3a), de tal manera que; cada vuelta completa del rotor produce tres voltajes diferentes (figura 3b), los cuales se aplican a una carga por medio de una línea de alimentación de tres conductores [3]. Un sistema trifásico entrega un suministro de energía eléctrica más estable a una carga balanceada, ya que esta absorbe la misma cantidad de potencia de cada una de las tres fases. Cuando uno de los voltajes es cero, la relación de fases (figura 3b) es tal que el voltaje de las otras dos fases se encuentra a la mitad de su amplitud, por lo cual, el valor instantáneo de la potencia absorbida por la carga total nunca es cero. En máquinas rotatorias esto constituye una ventaja, ya que el par sobre el motor es más constante de lo que sería si se estuviese usando una fuente monofásica, lo que disminuye las vibraciones [7].Por esta razón, los sistemas trifásicos son empleados para equipos de gran capacidad, como son grandes motores, máquinas para soldar y unidades calefactoras que opera a voltajes de 208 V o más. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 10 Figura 3. Alternador trifásico. a) Estructura básica, b) Formas de onda de voltaje de las tres fases. Comúnmente un alternador trifásico es conocido también como alternador sincrónico, y este debe su nombre a la similitud que tiene con el motor sincrónico, el cual es un alternomotor cuyo rotor gira en sincronismo con el campo magnético rotatorio creado por el arrollamiento de estator, es decir; en un motor sincrónico tetra polar (cuatro polos) alimentado a una frecuencia de 60 Hz, el campo giratorio del estator se desplaza a una razón de 1800 r.p.m., el rotor de dicho motor gira también a esta velocidad. Por lo que, la diferencia porcentual entre esta y la velocidad real del motor es llamada deslizamiento. Aunque el deslizamiento de un motor sincrónico es nulo. 1.3 Alternadores sincrónicos A continuación describimos el tipo de generador en que se está trabajando. Un alternador es similar en construcción a un motor sincrónico de rotor excitado. Consiste en un estator en el cual se aloja un arrollamiento trifásico, y un rotor de polos salientes excitados con corriente continua. El alternador es accionado por un motor diesel. Del arrollamiento del estator, que por lo regular va conectado en estrella, salen al exterior tres hilos o cuatro CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 11 si la distribución se hace con tres fases y neutro. En este generador existen cuatro conexiones posibles. Estrella, estrella paralelo, delta y delta serie utilizada esta última para cargas monofásicas. 1.3.1. Principio de operación del alternador sincrónico El principio fundamental de operación de los alternadores sincrónicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energía CD o excitador se aplica a través de anillos colectores en el rotor: la fuerza del flujo, y por lo tanto el voltaje inducido en la armadura se regula mediante la corriente directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna es producida en la armadura debido a la inversión del campo magnético a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales. La disposición más común es la de un electroimán cilíndrico que gira dentro de un conjunto de conductores estacionarios. La corriente que se genera mediante los alternadores aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, sí la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero, este tipo de corriente es conocida como corriente alterna bifásica. Al agrupar tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre toda la corriente alterna trifásica. 1.4. Función de la excitación La función básica de un sistema de excitación es la de proveer la corriente directa al campo del generador para alcanzar su sincronización. Además, el sistema de excitación controla y protege las funciones esenciales CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 12 para el cumplimiento satisfactorio del funcionamiento del sistema de potencia, para esto controla el voltaje y la corriente de campo. Las funciones de control de un sistema de excitación incluyen el control de voltaje y el flujo de potencia reactiva; que permite la mejora de la estabilidad del sistema. Las funciones de protección del sistema de excitación aseguran mantener los límites de la capacidad, de la sincronización del generador y otros equipos, para que éstos trabajen dentro de los parámetros para los que fueron diseñados. La función de los requerimientos del sistema de excitación está determinada por las consideraciones de la sincronización del generador, igual que del sistema de potencia. Dentro de los requerimientos básicos, están que el sistema de excitación supla y ajuste automáticamente la corriente de campo del generador; en la etapa de sincronización y con el generador interconectado, para mantener de esta manera el voltaje terminal, ya que la salida varía continuamente dentro de la capacidad del generador. Estos requerimientos son visualizados a partir de las curvas de regulación de voltaje, estas curvas indican la corriente de excitación necesaria para que la tensión nominal en las terminales del generador se mantenga constante al variar la carga. Además permite mantener el factor de potencia de la carga constante; esta gráfica representa la característica de regulación del sistema de excitación, y se muestra en la figura 4. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 13 Figura 4. Características de regulación de voltaje Se requiere que el sistema de excitación sea capaz de responder a alteraciones instantáneas o de corta duración, por medio de la consistencia de la fuerza del campo del generador. La capacidad del generador para soportar estas alteraciones temporales está limitada por varios factores, estos son fallo del aislante debido a un alto voltaje de campo, calentamiento del rotor debido a una alta corriente de campo, calentamiento del estator debido a una sobrecarga de la corriente de armadura, calentamiento del núcleo durante una operación de baja excitación. Desde el punto observador del sistema de potencia, el sistema de excitación debe contribuir a obtener un efectivo control del voltaje y a mejorar la estabilidad del sistema; debe ser capaz de responder rápidamente a una alteración ya que así participa en la estabilidad transitoria [8]. 1.4.1 Elementos que conforman un sistema de excitación. Los elementos que conforman un sistema de excitación son: Excitador: generador. provee el voltaje de CD para formar el campo del CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 14 Regulador: procesa y amplifica las señales del control de entrada a un nivel y forma apropiada para el control del excitador. Transductor de la terminal de voltaje y compensador de carga: mide, rectifica y filtra el voltaje de la terminal del generador a un valor de voltaje de CD; y lo compara con una referencia que representa el voltaje deseado en la terminal del generador. Estabilizador del sistema de potencia: provee una señal adicional de entrada al regulador para mejorar las oscilaciones del sistema de potencia. Algunas de las señales de entrada comúnmente usadas son la desviación de la velocidad del rotor, poder de aceleración y desviación de frecuencia. Circuitos protectores y limitadores: son funciones protectoras que aseguran que los límites de la capacidad del excitador y el generador sincronizado no sean excedidos. Algunas de las funciones comúnmente usadas son limitador de la corriente de campo, limitador de la corriente de excitación máxima, limitador del terminal de voltaje, protección y regulador de Volt por Hz, limitador de baja excitación. 1.5 Modelos matemáticos de sistemas de excitación Los modelos matemáticos de sistemas de excitación son necesarios para asegurar que sean obtenidos los requerimientos de las funciones del sistema de excitación, para el diseño y coordinación de controles auxiliares y circuitos protectores, y además, para estudiar la estabilidad del sistema de potencia. El siguiente modelo está basado en el sistema de excitación Basler DECS-15. 1.5.1 Modelo del transductor de voltaje en las terminales de la máquina sincrónica y del compensador de carga. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 15 El modelo Basler DECS-15 implementa digitalmente el compensador de carga usando los valores RMS del terminal de voltaje y el valor promedio del terminal de corriente junto con el ángulo de fase entre estos. La medición del ángulo de fase está basada en cero cruzamientos de la fase A y C de voltaje con respecto a la fase B de corriente. El modelo común mostrado en IEEE 421.5 1992, para transductores del terminal de voltaje y compensadores de carga puede ser usado para el funcionamiento del modelo Basler DECS-15 mostrado en la figura número 5. Figura 5. Elementos de la terminal de voltaje y el compensador de carga. Los valores usados en este modelo pueden obtenerse desde los settings del DECS-15, y se muestran a continuación: Rc 0 (Compensación de carga resistiva no disponible) Xc {1 (1 (DRP/100)) Tr 30ms (1) Donde: DRP es el porcentaje DROOP (% de caída de voltaje) programado en el Basler DECS-15; valor que puede estar entre el rango de 0 a 20 [9]. El regulador automático de voltaje (AVR) normalmente controla el voltaje en la terminal del estator del generador. La compensación de carga es usada para controlar el voltaje en un punto interno al generador o externo a él. Esto se logra construyendo un circuito adicional dentro del regulador automático de voltaje (AVR), como se muestra en la figura 6. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 16 Figura 6.Diagrama esquemático de un compensador de carga El compensador de carga tiene reactancia inductiva (Xc), donde, la resistencia ajustable (Rc) y la Rc y Xc simulan la impedancia entre las terminales del generador y el punto en el cual el voltaje es controlado efectivamente. Al usar esta impedancia y medir la corriente de armadura, una caída de voltaje es detectada y agregada o sustraída del terminal de voltaje. La magnitud del voltaje compensador (Vc); que es alimentado al AVR, está dada por: ~t (Rc jXc) ~I t Vc E (2) El voltaje de salida del transductor Vc, forma la señal de control principal para el sistema de excitación. Con Rc y Xc positivos en la ecuación anterior, la caída de voltaje a través del compensador, es agregado al terminal de voltaje. El compensador regula el voltaje a un punto interno dentro de los terminales del generador y por lo tanto provee una baja caída de voltaje. Esto es usado para asegurar que se comparta la potencia reactiva entre generadores, esta es entregada en el bus cercano a sus terminales y comparte un transformador común CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 17 elevador de tensión entre los generadores. El compensador de carga funciona como un compensador de corriente reactiva, creando una unión artificial entre generadores. Sin esta operación del compensador de carga, uno de los generadores tratará de controlar el voltaje del terminal manteniéndolo un poco más alto que el voltaje del otro; por lo tanto así un generador proveería toda la potencia reactiva requerida, mientras el otro absorbería toda la potencia reactiva permitida por sus límites de sub-excitación. Con Rc y Xc negativas, el compensador regula el voltaje a un punto más allá de los terminales del generador. Esta forma de compensación es usada para compensar la caída de voltaje a través del transformador de paso elevador de tensión, cuando dos o más unidades son conectadas a través de transformadores individuales. Cuando la compensación de carga no se usa, Rc y Xc son cero. La constante de tiempo TR representa la rectificación y el filtrado en el terminal de voltaje del generador. Las variables de entrada Et e It son fasores. Si la compensación de carga no se usa y TR es despreciable; entonces, Vc = Et [9] 1.6. Representación en diagrama de bloques de un sistema de excitación La figura 7 muestra el diagrama de bloques del modelo de excitación usado con excitadores rotativos sin escobillas. Los parámetros del excitador rotativo no son incluidos en este diagrama. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 18 Figura 7.Sistema de excitación simplificado con rectificadores rotativos Los parámetros PID KP, K1, KD del controlador análogo son diseñados para lograr un mejor funcionamiento del sistema excitador de cada generador. Un valor típico para TA es 0.03. Un valor típico para TD es 0 [10]. La función de transferencia del control análogo es la siguiente: G0(S) KP K1/S KDS K1(1 bS cS2 )/S (3) donde: b (KP/K1) (4) c (KD/K1) (5) 1.6.1 Amplificador del sistema de excitación. Estos valores continuos de tiempo PID, son implementados en el controlador CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje digital DECS-15. 19 La sección del diagrama de bloques de la figura 7 que aparece en la figura 8, representa el amplificador del sistema de excitación: Figura 8. Amplificador del sistema de excitación. Donde. KA = Ganancia del regulador TA = Constante de tiempo del amplificador regulador El amplificador puede ser magnético, rotativo, o electrónico. Los amplificadores magnéticos y rotativos se caracterizan por incluir la ganancia y una constante de tiempo. La salida del amplificador está limitada por la saturación o las limitaciones de la fuente poder; esta es representada por los límites VRMAX y VRMIN [10]. 1.6.2 Bloques del excitador de CD La sección del diagrama de bloques de la figura 7 que se presenta en la figura 9, representa el diagrama de bloques del excitador de CD [10]. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 20 Figura 9.Diagrama de bloques del excitador de CD Donde: KE (REf/Rg) (6) TE Lfu/Rg (7) ief0 Lfu Lef EX0 (8) Ref SE(EX) Se( EX) Rg (9) Se y ĒX son valores por unidad (pu). Se(E X) (A B)/(B) Donde, A y B son valores de corriente Ief. (10) 1.6.3 Diagrama esquemático del excitador de CD En la figura 10, se muestra el diagrama esquemático que representa el excitador de CD de la figura 9. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 21 Figura 10. Circuito excitador de CD separado de la armadura. El voltaje de entrada Eef, es el voltaje VR de salida del regulador. La salida de voltaje Ex del excitador de CD, es directamente aplicada al campo del generador sincrónico. Rg será la pendiente de la recta del entrehierro de la máquina síncrona [10]. 1.6.4 Curva de saturación de carga del excitador La figura 11 muestra la curva de saturación de carga del excitador, en esta figura se puede observar la línea del entrehierro [10]. Figura 11. Curva de saturación de carga del excitador. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 22 1.7. Tipos de sistemas de excitación tradicionales Durante los últimos años han ido evolucionando los sistemas de excitación de generadores sincrónicos. Los sistemas de excitación pueden ser clasificados en las siguientes tres categorías, que dependerán de la fuente de poder del sistema de excitación. 1.7.1. Sistemas de excitación de CD Los sistemas de excitación de este tipo utilizan generadores de CD como la fuente de poder de la excitación y proveen la corriente de excitación al rotor del generador sincronizado por medio de anillos deslizantes. El excitador puede ser impulsado por un motor o el eje del generador y puede ser auto excitado o excitado de manera separada. separada Cuando es excitado de manera el excitador de campo es alimentado por un excitador piloto que incluye un imán permanente en el generador. Los sistemas de excitación de CD fueron utilizados y desarrollados a través de los años, entre 1920 y 1960, cuando perdieron popularidad y fueron sustituidos por excitadores de CA. Estos sistemas han ido desapareciendo gradualmente, así como antiguos sistemas han sido reemplazados por sistemas de excitación de CA o Estáticos. 1.7.2. Sistemas de excitación de AC Este tipo de sistemas de excitación usa alternadores (máquinas de CA) como fuente de poder. Usualmente el excitador está en el mismo eje del rotor del generador. Se rectifica la salida de CA del excitador por medio de rectificadores para producir el voltaje de CD necesario para el campo del generador, los rectificadores pueden ser estacionarios o rotatorios. Los sistemas de excitación de CA antiguos usaban combinaciones de amplificadores magnéticos y rotatorios como reguladores. Muchos sistemas nuevos usan reguladores amplificadores electrónicos. Los sistemas de excitación de CA pueden tomar muchas formas según los CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 23 arreglos de los rectificadores, métodos de control de salida del excitador y métodos de control de excitación para el excitador. A continuación se describen las diferentes formas que toman los sistemas de excitación de CA en uso. 1.7.2.1. Con Sistemas de rectificadores estacionarios rectificadores estacionarios, la salida de CD es alimentada al devanado de campo del generador por medio de anillos deslizantes. Un diagrama unifilar simplificado de este sistema de excitación es mostrado en la figura 12, ilustra el campo controlado del alternador y el sistema rectificador de la excitación. En el sistema mostrado; que es representado del sistema de excitación General Electric Alterrex, el alternador del excitador es controlado desde el rotor del generador principal. El excitador es excitado por sí sólo con potencia derivada del campo por medio de tiristores rectificadores. El regulador de voltaje obtiene su potencia de alimentación de la salida de voltaje del excitador. Figura 12. Sistemas de rectificadores estacionarios Cuando son usados rectificadores controlados (tiristores), el regulador controla directamente el voltaje de salida de CD del excitador. El regulador de CA es utilizado para mantener automáticamente el voltaje en los terminales del estator del generador principal a un valor deseado, CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 24 correspondiendo a la referencia de CA programada. El regulador de CD es utilizado para mantener constante el voltaje de campo del generador, corresponde a la referencia de CD programada [11]. 1.7.2.2 Sistema rectificador rotatorio El sistema de rectificador rotatorio tiene múltiples ventajas. Con el uso de rectificadores rotatorios, es eliminada la necesidad del uso de anillos deslizantes y escobillas, la salida de CD alimenta directamente al campo del generador principal. Como se muestra en la figura 13, la armadura del excitador de CA y los diodos rectificadores rotan con el campo principal del generador. Figura 13.Sistema de excitación sin escobillas Este sistema fue desarrollado para eliminar los problemas por el uso de carbones, y fue construido para suplir las altas corrientes de campo de generadores muy grandes; por ejemplo, la potencia suplida al campo de un generador de 600 MW está en el orden de 1 MW [10]. 1.8 Regulación primaria de voltaje En un generador sincrónico, el voltaje es inducido en el devanado de la armadura como resultado del movimiento relativo entre el campo y la armadura. La regulación primaria de voltaje del generador sincrónico es manejada por el control de excitación. El control de excitación suministra la corriente necesaria al CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 25 campo del generador para mantener constante la tensión en las barras de salida, punto en donde el generador se conecta con la carga. La corriente de campo regula la tensión de salida del generador, para controlar esta corriente se debe programar el control de la excitación para aumentar o disminuir la tensión de salida del generador, según las necesidades de la carga; la función de control del sistema de excitación permite la regulación primaria de voltaje de un generador sincrónico. La regulación primaria de voltaje es muy importante por los cambios constantes que se producen en la carga conectada al generador. El voltaje en las barras de salida del generador aumenta o disminuye constantemente dependiendo del tipo de carga. La carga que es aplicada a un generador sincrónico puede ser con factor de potencia en atraso (carga inductiva de potencia reactiva), con factor de potencia en adelanto (carga capacitiva de potencia reactiva) y con factor de potencia unitario (potencia reactiva cero). Si se aplican cargas en atraso a un generador, su tensión en las barras de salida disminuye significativamente. Si se aplican cargas en adelanto a un generador, la tensión en las barras de salida del generador aumentará significativamente. Si se aplican cargas con factor de potencia unitario a un generador, hay una ligera disminución en la tensión de las barras de salida. Es posible graficar la relación existente entre la potencia reactiva Q y la tensión en los bornes del generador (VT). El aumento de una carga en atraso, hace que el voltaje VT disminuya. De igual manera, el aumento de una carga en adelanto, hace que el voltaje VT aumente. La figura 14, relaciona la potencia reactiva Q y el voltaje del generador VT y muestra lo que ocurre cuando se aumenta la carga en atraso de un generador; este aumento de carga en atraso hace que aumente el consumo de potencia reactiva Q de la carga, como resultado el voltaje VT disminuye. Esta característica no es necesariamente lineal, pero muchos reguladores de voltaje incluyen funciones especiales para volverla lineal. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 26 Figura 14.Curva de voltaje terminal VT versus potencia reactiva Q de un generador sincrónico La forma adecuada para describir el comportamiento de la tensión en los generadores es por medio de su regulación de voltaje (RV), que se define por la ecuación RV VSC V pc V pc 100% (10) donde Vsc es la tensión en vacío y Vpc la tensión a plena carga del generador[12]. 1.8.1 SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia En esta sección se presenta la caracterización de un SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia. La figura muestra la representación clásica de un sistema de control para estudios de estabilidad. Figura 15.Caracterización de un SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia. CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje 27 En esta figura las variables relevantes son las siguientes: Vr es el voltaje de referencia del regulador, Et es la variable a controlar (el voltaje en bornes del generador o corregido mediante la caida de tensión de la línea de alimentación) Vc señal filtrada y adaptada en el loop de control Vr es la señal del excitador Efd es el voltaje aplicado al rotor de la máquina sincrónica El desempeño del sistema de control de excitación depende de las características de la excitación del sistema, el generador, y el sistema de potencia. En el estudio del desempeño dinámico de los SCE es usual separar los temas de estabilidad (o respuesta) ante grandes perturbaciones y ante perturbaciones pequeñas, también conocidas como pequeña y gran señal, respectivamente. En señales “grandes” la no linealidad de las componentes es significativa, mientras que para pequeña señal, la respuesta es aproximadamente lineal [13]. En este capítulo se expusieron los principales aspectos teóricos relacionados con los generadores sincrónicos, así como las principales características de los reguladores de voltaje. Estos elementos sirvieron de base para el diseño del regulador propuesto en este trabajo. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 28 CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. Los generadores que se tratan son del tipo sincrónico con una potencia de 175 kVA, alimentan las máquinas encargadas de la extracción del mármol en la UEB Mármoles del Centro. Los reguladores que se encargaban del control de la excitación de estas plantas eléctricas, se vieron afectados muy seriamente, haciéndose imposible su reparación, por lo que fue necesario diseñar y construir un regulador de voltaje automático para continuar con la explotación de estos equipos. La corriente de excitación es un factor esencial en el control de la salida del alternador. Una característica deseable de un regulador de voltaje automático es mantener con suficiente rapidez, altos niveles de corriente de excitación después de un cambio en el voltaje terminal del alternador. 2.1 Generador sincrónico de excitación sin escobillas En este diseño será utilizado un generador sincrónico de excitación sin escobillas. A continuación describimos el funcionamiento de este sistema. El campo de la excitatriz está constituido por las bobinas alojadas en las zapatas, las cuales constan de un magnetismo remanente que al comenzar a moverse la armadura de la excitatriz se induce una fuerza electromotriz en esta. La corriente inducida es rectificada por un puente de diodos, que alimenta directamente al campo del generador principal. Este crea un campo magnético variable con respecto a la armadura del generador, induciendo una FEM (fuerza electro motriz) en esta, y garantizando una diferencia de potencial en sus terminales. El regulador CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 29 es alimentado de los terminales del generador este alimenta el campo de la excitatriz regulando la intensidad de la corriente que circula por este, y por ende la FEM que se induce en la armadura de la excitatriz. El control corriente del regulador de voltaje automático consiste en variar la de excitación del devanado de campo. Por la construcción del alternador sin escobillas, la forma de proporcionar esta corriente es variar el nivel de voltaje de CD del excitador piloto, ya que un incremento en el voltaje ocasiona una variación en la corriente de excitación. En la figura 16 se presenta el diagrama en bloque del regulador de voltaje automático diseñado. Este está constituido por cinco bloques fundamentales Rectificador, Generador de voltaje de referencia, Detector de cruce por cero, Comparador y Etapa de potencia, más adelante serán descritos su funcionamiento de manera individual. Figura 16. Diagrama en bloque del regulador automático. En la figura 17 que se muestra a continuación se exponen las cuatro conexiones que se pueden desarrollar en la armadura de este generador al igual que el número de fases y sus voltajes posibles. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 30 Figura 17. Conexiones del alternador para producir los diferentes voltajes. 2.2 Construcción del Regulador de voltaje Automático Para realizar el diseño y construcción del regulador primeramente partimos del diseño de cada bloque los cuales fueron simulados en el Multisim. El Multisim proporciono una serie de componentes con características especiales que tuvieron que ser editados en él. A continuación se muestra en detalle cada uno de estos bloques y su respectivo funcionamiento. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 31 2.2.1 Bloques del regulador de voltaje automático El regulador de voltaje automático cuenta con los siguientes bloques: Fuente de alimentación del circuito. Detector de cruce por cero. Rectificador de onda. Generador de señal triangular de referencia. Comparador. Etapa de potencia. 2.2.1.1 Fuente de alimentación del circuito. El circuito electrónico del regulador no puede funcionar directamente alimentado con la CA de los terminales del generador. Es por ello que utiliza una fuente, la cual es capaz de suministrarle al regulador un nivel de voltaje adecuado para su funcionamiento. Este regulador necesita una alimentación de corriente directa CD con una amplitud de 15V. Por lo cual utiliza un diodo para rectificar la sinusoide, dos resistencias para limitar corriente y filtros para minimizar el rizado de la corriente. El diodo zener es el encargado de mantener un voltaje estable entre sus terminales, y su valor nominal es de 15V. En la siguiente figura se muestra el circuito de dicha fuente. Figura 18. Fuente de alimentación del circuito. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 32 2.2.1.2 Detector de cruce por cero Este bloque se encarga de entregar un pulso cada vez que la señal del alternador cruza por cero. Durante el semiciclo positivo de la señal alterna éste proporciona un valor bajo o cero y durante el semiciclo negativo entrega un valor alto a la salida. Aunque solo es de interés el flanco de subida del pulso ya que el resto del circuito solo reconoce el valor alto de la onda el cual permite que detecte el inicio de un período de la sinusoide. En la siguiente figura se muestra el circuito y la forma de onda de la entrada y salida del detector de cruce por cero. a) b) Señal de entrada Señal de salida Figura 19. a) Circuito detector de cruce por cero. b) Forma de onda de la entrada y salida. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 33 2.2.1.3 Rectificador de onda Este bloque cuenta con un amplificador operacional el cual recibe una señal por su entrada inversora, a través de resistencias ubicadas en su terminal inversor. Mediante el potenciómetro se ajusta el nivel de voltaje a la salida. Este circuito toma señal directamente de los terminales del generador, rectificando la señal de salida. Esta figura que se muestra a continuación es el circuito y su señal de salida. a) b) Figura 20. a) Circuito rectificador de onda completa. b) Forma de onda a la salida. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 34 2.2.1.4 Generador de señal triangular de referencia En este bloque consta de un operacional en conjunto con un diodo y dos condensadores encargados de crear una señal triangular variable. Se genera a su salida una señal que varía su nivel de voltaje. En estas figuras se muestran el circuito y su señal de salida. a) b) Figura 21. A) Circuito generador de diente de sierra. b) forma de la señal a la salida. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 35 2.2.1.5 Comparador Este bloque funciona como un comparador, tomando el voltaje de referencia y la señal sincronizada del detector de cruce por cero. El resultado es un ancho de pulso que puede variar según el nivel de voltaje que se encuentre en los terminales del generador. Esta señal que aparece a continuación es la forma de onda en los terminales del generador, y a la salida del comparador. a) b) Señal de CA Señal a la salida del comparador. Figura 22. a) Comparador. b) Señal de los terminales del generador y salida del comparador. CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 36 2.2.1.6 Etapa de potencia En este circuito se encuentran los componentes capaces de regular el nivel de volteje aplicado al campo del generador (excitación). Este bloque trabaja de manera sincronizada con la señal proveniente de los bornes del generador y con el ancho de pulso variable del comparador. Por lo cual puede comenzar su conducción en cualquier momento de la onda. En la figura se muestra el circuito y su forma de onda a su salida. Figura 23. Etapa de potencia. 2.3. Comportamiento del voltaje de excitación (Vexc) en relación con el voltaje de corriente alterna (Vca) Para lograr una regulación óptima necesitamos conocer que nivel de CD se requiere aplicar al devanado de campo, para mantener así el voltaje de salida de CA en su valor nominal de 240 Vac, para esto se ha caracterizado el alternador de la siguiente forma, aplicando un voltaje de CD (Vexc) al devanado de campo, se mide por medio de dos voltímetros tanto la corriente de excitación (Iexc) como el voltaje de CA (Vac) del alternador, de esta forma se obtiene la relación de Vexc vs. Vac, que como era de esperarse, es completamente lineal. La tabla 1 muestra los valores obtenidos y la figura 24 ilustra la gráfica obtenida de los puntos de dicha tabla. Tabla 1.Vexcit (V) vs Vca (V). Vexcit(V) 9 Iexcit(A) Vca(V) 0.45 203.4 CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 11 0.6 226.6 13 0.9 249.9 15 1.1 271.1 17 1.3 294.4 19 1.2 317 37 Figura 24. Gráfica que ilustra el comportamiento del Vexc vs Vca. En esta gráfica se muestra como aumenta el valor del voltaje Vca en los terminales del generador a medida que se incrementa el voltaje de excitación al campo. Para construir este gráfico utilizamos el Matlab ya que presenta mejores posibilidades que el Multisim para construir gráficos. 2.3.1 Descripción del regulador de voltaje CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático. 38 A continuación describimos el funcionamiento del circuito del regulador de voltaje que se muestra en la figura anexo 1. Al comenzar a girar el alternador aparece en sus terminales en voltaje relativamente bajo este se encuentra en los 25V CA. Este es el resultado de un magnetismo remanente ubicado en la excitatriz de la máquina. Este voltaje es conducido completamente por el tiristor, aumentando así paulatinamente el voltaje en los terminales del alternador. La resistencia variable que se encuentra en el exterior (R3) proporciona una referencia de voltaje al rectificador. Enviando este último una señal analógica al generador de voltaje de referencia el cual proporciona una señal triangular que puede variar su valor. El detector de cruce por cero entrega un pulso cada vez que la onda pasa por su valor cero, esto posibilita la sincronización de la etapa de potencia. Estos pulsos son entregados a una red (RC) resistor condensador que a su vez proporciona una señal diente de sierra al comparador. El comparador compara la señal diente de sierra con un tren de pulsos de pequeña amplitud, teniendo como resultado una variación del ancho del pulso a su salida. Esto permite que la etapa de potencia pueda comenzar su conducción en cualquier parte de la onda. En este capítulo se trató el diseño del regulador de voltaje automático. Se describieron todos los pasos que se siguieron para la construcción. Fueron analizados todos los bloques que lo conforman este circuito y simulados en el Multisim. CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado. 39 CAPÍTULO 3. Resultados y puesta en marcha del regulador diseñado. En el presente capítulo se describen las pruebas y los resultados obtenidos en la operación del sistema, se realiza una comparativa entre el funcionamiento del alternador sin regulador de voltaje automático (voltaje fijo) contra la operación de la planta con el regulador instalado, se muestra también el voltaje obtenido durante el arranque en vacío del alternador, y los resultados de las pruebas más importantes; la conexión y desconexión de cargas. 3.1 Pruebas aplicadas al generador sin regulador Para poder comparar el correcto funcionamiento del regulador se excitó el alternador con un voltaje de 13V CD voltaje fijo (sin regulador) y se midió en los terminales del generador 250 V CA. Al comenzar a conectarle cargas de un valor de 10kW cada una hasta llegar a 50kW el nivel de voltaje en sus terminales descendía al aumentarle más carga, esto es debido al aumento de la corriente por el devanado de armadura que crea una caída de voltaje en este. 3.1.2 Pruebas aplicadas al generador con regulador Con el regulador instalado se procede a poner en marcha la planta eléctrica para realizar las pruebas pertinentes. Con el generador en marcha se ajusta el potenciómetro externo que se encuentra en el panel frontal de la planta eléctrica hasta que su valor de voltaje de CA llegue al nivel de 250V CA. El siguiente paso es conectarle cargas y comprobar su funcionamiento, las cargas serán conectadas de igual manera que con voltaje fijo y tienen las características descritas en la tabla número 2. Con un valor de 10kW cada una se irán conectando secuencialmente. CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado. 40 Tabla 2. Datos de las cargas conectadas al generador Número de carga Voltaje V Corriente A Potencia kW Carga 1 220 32.89 10kW Carga 2 220 32.89 10kW Carga 3 220 32.89 10kW Carga 4 220 32.89 10kW Carga 5 220 32.89 10kW Figura 25.Diagrama de conexión de la carga al generador En la figura número 25 se muestra la forma en que fueron conectaron las cargas al generador y conectadas secuencialmente. 3.2. Voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del generador A continuación se muestra una gráfica obtenida en el Matlab donde describe el comportamiento del voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del generador. CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado. 41 Figura 26. Gráfica de voltaje de excitación y voltaje obtenido en los terminales del generador. Esta gráfica muestra como a medida que aumenta el voltaje de excitación al campo del generador también aumenta el voltaje de CA en sus terminales. Hasta llegar al voltaje de excitación nominal que coincide con su voltaje nominal de CA. Como se puede apreciar en la gráfica para cualquier valor de excitación mayor que el nominal el nivel de voltaje de CA en los terminales de salida del generador se mantiene constante, ya que este solo proporciona el aumento de excitación para suplir la caída de voltaje en la armadura. 3.3 Valores de consumo de corriente de la carga real. El generador se encuentra alimentando las máquinas encargadas de la extracción de mármol y funcionando satisfactoriamente. Los valores de consumo de corriente de la carga real a la que se provee de energía eléctrica, se muestran en la CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado. 42 siguiente tabla. Se presentan, la suma total de las corrientes de carga. Tabla 3. Valores de consumo de corriente de la carga real NÚM DE CARGA Potencia (kW) Voltaje(V) Corriente (A) CARGA 1 37kW 220V 121.71A CARGA 2 37kW 220V 121.7A CARGA 3 37kW 220V 121.7A CARGA 4 7.5kW 220V 26A Total 118.5kW 391A Este es un generador de 175 kVA que suministra energía eléctrica a un total de 148 kVA que demandan una corriente de 391A. 3.4 Valoración Económica Un factor importante a la hora de realizar un diseño es su costo de producción. Un costo elevado declararía inutilizado el proyecto. Por estas razones se tomaron en cuenta los costos realizados en este proyecto ya que está basado en componentes discretos e integrados con un bajo nivel de integración. Esto dio lugar a un regulador de voltaje automático, muy económico y con gran aprovechamiento ya que es compatible con generadores 220V trifásicos y monofásicos. Después de realizar un examen en conjunto con el departamento de economía de la UEB Mármoles del Centro, se hallaron los costos totales de producción del regulador en moneda libremente convertible (CUC) y moneda nacional (CUP). Los resultados arrojados fueron: Costo de producción total = = 40 CUC 1200 CUP CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado. 43 Se comprobaron estos costos de producción con los costos de importación. Estos últimos oscilaban entre los 9,000 y 10,000€ superaban en un alto porcentaje los costos del regulador fabricado. Ya que el proveedor solo comercializaba los reguladores en conjunto con el generador, y la UEB contaba con los generadores. Los cuales están en excelente estado técnico teniendo un consumo promedio de 0.60 Lits de diesel por kWh y esto los hace perfectamente eficientes. 3.5 Conclusión del capítulo En este capítulo se mostraron los resultados de la puesta en marcha del regulador en conjunto con la planta eléctrica. Como también las pruebas realizadas a este con el fin de comprobar su correcto funcionamiento. Se mostraron los resultados de una satisfactoria regulación de voltaje ante variaciones de carga, así como el ahorro económico de utilizar el regulador propuesto en este trabajo. Conclusiones y recomendaciones 44 Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Luego de terminado el trabajo se arriban a las siguientes conclusiones: 1) En la bibliografía consultada sobre el funcionamiento de los generadores sincrónicos se muestra el papel fundamental de la regulación de voltaje para su correcto funcionamiento y se analizaron los fundamentos teóricos necesarios para el diseño del regulador automático de voltaje. 2) Se diseñó y construyó un sistema de control de excitación de voltaje automático, con el cual se logra automatizar y optimizar el funcionamiento de la planta generadora de energía eléctrica de la UEB Mármoles del Centro. El sistema automático controla el voltaje de salida de un generador trifásico. 3) Para la etapa de pruebas del regulador con el alternador, se utilizaron cargas (motores) con un consumo de 32.89A cada una, para una carga total de 164A , que abarca un 41.94% de la carga real que alimenta este generador y se mostraron los resultados satisfactorios del regulador construido. Recomendaciones Analizar la posibilidad de modernizar más el regulador propuesto utilizando un microcontrolador. Realizar otras pruebas de funcionamiento del regulador ante otras condiciones de carga (carga capacitivas). Referencias bibliográficas 45 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] G. Cabrera, «Plantas de energía Eléctrica,» 2010. [2] «Control de frecuencia de una mini-hidroeléctrica operando en modo aislado,» http: //www.uo.edu.cu/fac/fie/info/artículos/ControlFrec.pdf, “Página del departamento”. [En línea]. [Último acceso: Octubre 2013]. [3] L. 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